Only Perception: 以合成 DNA 所建立的最大規模生化電路

2011-06-29

以合成 DNA 所建立的最大規模生化電路

Largest biochemical circuit built out of small synthetic DNA molecules
http://www.physorg.com/news/2011-06-largest-biochemical-circuit-built-small.html

By Marcus Woo, June 2, 2011

從許多方面來看，生命就像是一部電腦。一個生物體的基因組是軟體，告訴細胞與分子機器 -- 硬體 -- 要做什麼。但生命並非倚賴電子電路，而是生化電路（biochemical circuitry，譯註：翻成「生化迴路」會比較好，但電路中有所謂的 loop，為避免混淆，故翻成電路） -- 由反應與路徑所構成的複雜網路，使生物體能夠運作。現在 Caltech（加州理工學院）的研究者從頭建立迄今最複雜的生化電路，以基於 DNA 的裝置在試管中製成，那可類比電腦晶片上的電晶體。

設計這些電路讓研究者能探索生物系統中的資訊處理原理，並設計具決策能力的生化路徑。就生物、化學工程與產業中的應用而言，這樣的電路在設計化學反應上，將賦予生化學家空前的控制。例如，在未來，一個合成生化電路將可引入臨床血液樣本中，偵測樣本中各種分子的濃度，並將這些資訊整合到病原體的診斷中。

"我們正試著借用已在電子世界獲致巨大成功的點子，例如計算操作、程式語言與編譯器的抽象表現，並將之應用到生物分子世界，" Lulu Qian（錢璐璐）表示，在 Caltech 的資深博士後學者（一位美女！）以及一篇論文的第一作者，那發表在六月 3 日的 Science 期刊上。

Erik Winfree（Caltech 電腦科學、計算與神經系統與生物工程教授）與 Qian 利用一種基於 DNA 的新元件，建構至今規模最龐大的人造生化電路。Qian 解釋，先前實驗室製造的生化電路受到限制，因為當它們被放大到較大尺寸時，其運作上的可靠性與可預測性都會減少。這種限制背後可能的原因是，這樣的迴路需要各種分子結構來實作不同功能，使得大型系統變得更加複雜且難以除錯。然而，研究者的新方法納入簡單、標準化、可靠且可縮放的元件，意味可以製造出更大且更複雜的電路而且仍然能夠可靠地運作。

"你想像一下，在電腦產業中，你要製造愈來愈棒的電腦，" Qian 說。"這與我們努力想辦到的事是一樣的。我們想要製造愈來愈好的生化電路，那能完成更複雜的任務、驅使分子裝置對它們的環境產生作用。"

為了打造她們的電路，研究者使用一段 DNA 來製造所謂的邏輯閘 -- 這種裝置在回應 on-off 輸入訊號時能產生 on-off 輸出訊號。邏輯閘為數位邏輯電路的基石，那使電腦在正確的時間完成正確的動作。在一部傳統電腦中，邏輯閘以電子電晶體製程，那透過線路連接在一起，構成矽晶片上的電路。然而，生化電路由漂浮在鹽水試管中的分子所組成。基於 DNA 的邏輯閘並非依靠電子流進、流出電晶體，而是把分子的「接收及製造」當成訊號。分子訊號從某個特定的閘行進到另一個，猶如它們是導線一樣，將線路連接起來。

Winfree 及其同僚率先在 2006 年打造這樣的生化電路。在那項研究裡，DNA 訊號分子將數個 DNA 邏輯閘連在一起，形成所謂的多層次電路（ multilayered circuit）。不過這種早期電路僅由 12 種不同的 DNA 分子所組成，而且當這種電路從單一邏輯閘擴展至五層電路時，那會以幾個數量級的程度慢下來。在她們的新設計中，Qian 與 Winfree 已修改邏輯閘，使之更簡單也更可靠，讓她們能製造至少大上五倍的電路。

她們的新邏輯閘不是以短短的單股 DNA 就是以部份雙股 DNA（partially double-stranded）製成，在其中，單股 DAN 像尾巴般從 DNA 的雙螺旋伸出。單股 DNA 分子作用如同輸入與輸出訊號，那與部份雙股 DNA 互動。

"這些分子就在溶液中到處漂浮，不斷撞擊彼此，" Winfree 解釋。"有時，一段具正確 DNA 序列的進入股，會將自己扣上（zip）某一股，同時使另一股鬆脫（unzip），將之釋放到溶液中，並允許它與另一股反應。" 因為研究者能編制（encode）他們想要的 DNA 序列，所以他們能完全控制此一過程。"你擁有這種可程式的交互作用，" 他說。

Qian 與 Winfree 利用她們的方法製造數種電路，不過最大的一個 -- 包含 74 種不同的 DNA 分子 -- 能算出 15 以內任意數的平方根（技術上來說，任何 4-bit 二進位數）並將答案無條件捨去至最接近的整數。研究者接著在運算期間監看輸出分子的濃度以決定答案。這個計算任務花了大約 10 小時，所以那不會很快取代你的筆電。不過這些電路的目的並非要與電子學競爭；那是要賦予科學家對生化過程的邏輯控制。

她們的電路有數種新特點，Qian 表示。因為反應未曾完美 -- 例如，分子不一定都會適當地結合 -- 因此系統內有天生的雜訊。這意味分子訊號不曾像理想的二進位邏輯那樣，會完全開啟或關閉。不過這種新邏輯閘能藉由抑制與擴大訊號來對付這種雜訊 -- 例如將訊號提升到百分之 80，或將之抑制到百分之 10，使得訊號不是接近百分之百就是不存在。

所有的邏輯閘都有相同的結構，但序列不同。因此，它們能被標準化，所以相同的類型的元件能接（wired）在一起以製造任何你想要的電路。另外，Qian 表示，你不需要了解關於電路背後之分子機器的任何東西就能夠製造電路。如果你想要一個，比如說，自動診斷某種疾病的電路，你只要把你設計中，關於這種邏輯功能的抽象表達提交到一個編譯器（研究者在線上有提供），那接著會把設計翻譯成需要用來建立這種電路的 DNA 元件。在未來，外面的製造商可以製造這些部件並給你已準備要運作的電路。

這些電路元件亦可調整。藉由調整各類 DNA 的濃度，研究者就能夠改變邏輯閘的功能。這些電路是萬用的（versatile），呈現出隨插即用（plug-and-play）特色的元件，可輕易地被重新配置以改寫電路。邏輯閘的簡單性亦允許更有效率的、能平行合成它們技術。

"如同矽電子學的摩爾定律（Moore's Law）-- 那提到電腦的發展每年都呈現指數般的縮小且更強大 -- 以 DNA 奈米技術開發的分子系統，其尺寸大約每三年就會加倍，" Winfree 說。Qian 補充道："夢想是，合成生化電路有朝一日將能達到足以與生命本身相比擬的複雜性。"

※ 相關報導：

＊ Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades
http://www.sciencemag.org/content/332/6034/1196.abstract